物理百科知识.doc

物理知识120世纪物理学进展与百年重大新技术 当我们翻开科技发展史册，不难发现许多重大应用技术都是建立在物理科学研究的成果之上的，如人类近代社会发生的三次技术革命中，起到关键性作用的都是物理科学的创新成果第一次技术革命开始于18世纪60年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用，这是牛顿力学和热力学发展的结果；第二次技术革命发生在19世纪70年代，主要标志是电力的广泛应用和无线电通信的实现，这是电、磁现象的研究和经典电磁场理论的重大突破所带来的辉煌成果；第三次技术革命发生在20世纪40年代，基础科学的研究成果引起了技术上一系列革命性的突破，产生了一系列高新技术，如核能源技术、激光技术、电子计算机技术、电子与信息技术、生物工程技术、材料技术、空间技术等，形成了现代技术群，它们已经扩散到社会生产和生活的各个领域.然而，在这个庞大的技术群中，几乎没有一项与现代基础科学无密切关系，尤其是20世纪物理科学的百年成果，给现代高新技术的研究、开发、利用，提供了不尽的源泉和坚实的基础.一、从“质能公式的提出”到核技术 1905年9月，爱因斯坦创立狭义相对论，并在他的题为“物质的惯性与它所含的能量相关吗”论文中，揭示了质量与能量之间的关系，提出了著名的质能公式E=mc2，这就从理论上预言了原子内部蕴藏着巨大的能量.能否开发和利用这些能量?当时人类则抱有悲观态度，甚至大科学家卢瑟福也认为“通过原子的变换去探索能源，那简直是无稽之谈”.然而，人类的认识是不会停滞的，科学技术必然是不断进步的.1909年3月，物理学家盖革和马斯顿进行了著名的粒子散射实验；卢瑟福了解到此实验中粒子出现了反常的漫散射现象，他则以原子内存在强电场的观点，探索粒子大角散射的内在原因，推断出原子由带负电的电子和带正电的原子核构成，并据此于1911年提出了原子有核结构，确立了“原子核”概念；1913年，玻尔以卢瑟福原子模型为基础，引入量子概念，构筑了一个新的原子模型量子化原子模型；1919年，卢瑟福又用天然放射源放射出来的粒子轰击氮，首次发现了原子核的人工嬗变，即这个实验既发现了在原子核中有呈中性的质子，也第一次用人工方法成功地把一种元素转变为另一种元素，从而开辟了人为变革原子核的途径. 那么，原子核又由什么组成呢?由于当时已知的粒子只有电子和质子，而且研究得最多的是氢原子，因此，曾认为原子核是由质子组成的.然而，因氦原子有两个电子，那么氦核则由两个质子组成，于是氦原子的质量就是氢原子的二倍，可是实际上却是四倍!有人认为原子核是由质子和电子组成的，但这又引起许多矛盾；1920年卢瑟福在英国皇家学会的一次演讲中，大胆地提出可能存在一种中性基本粒子，其质量与质子大体相等.如果原子核内存在这种粒子，则可圆满地说明原子核的组成.此后，卡文迪许实验室用了十年时间寻找这种中性粒子，但却一无所获.1932年3月27日Nature（自然杂志）刊登了物理学家查德威克的一篇论文，他提出：粒子轰击铍所产生的“铍辐射”并不是射线，而是一种新粒子，此新粒子不带电荷，因此取名为“中子”.由此，物理学家则提出了原子核的质子-中子模型. 1934年，约里奥-居里夫妇在用粒子轰击铝靶时，得到一种天然不存在的新放射性元素磷，这是历史上第一种人造的放射性同位素，当然这也是对原子核结构理论的有力证明.为了说明质子和中子结合在尺度很小（10-14m）的原子核内，科学界提出了“核力”概念，核力不同于当时已知的万有引力和电磁力.19331939年间的中子-质子散射实验，确定了核力的基本性质.中子和人工放射性的发现极大地激发了物理学家们的热情，促使他们去揭开原子核的奥 参考网址:/forum-43-1.html/forum-67-1.html秘.1934年，费米等人用中子照射铀，企图使铀核俘获中子，再经过衷变得到原子序数为93或更高的超铀元素.在实验中，他们偶然发现经过慢化的中子（热中子）反而比快中子能更好地引起核反应.费米认为，这是因为慢中子与快中子相比较，它经过原子核附近时滞留的时间较长，因而被原子核俘获的机会要多一些.19341938年间，许多物理学家和化学家做过此类实验，但不同的研究者得到了不同的结果，有的说发现了超铀元素，有的宣称得到了镭和锕.1938年9月，居里夫人的女儿伊伦居里和萨维奇合作，应用放射化学方法分析中子轰击铀的产物，发现其中有一个半衰期为3.5小时的放射性元素，其化学性质和元素镧相近，但镧的原子序数为57，恰在周期表中间，绝不会是“超铀”元素.伊伦居里的实验结果引起了德国的奥托哈恩的注意，他与斯特拉斯曼重做了一系列实验后提出：所谓镭和锕实际上是原子量远小于它们的镧和钡.如何解释这种现象?他们认为只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块，才能给予解释，这种分裂过程称为“核裂变”；1939年，梅特纳和费里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象；同年玻尔等人在原子核液滴模型和统计理论的基础上，系统地研究了原子核的裂变过程，奠定了核裂变理论的基础.掌握了核裂变和核能释放，物理学家又进一步思考：铀核被一个中子击中后分裂为两个碎片，那么若与此同时再有一个以上的中子从铀核中释放出来，它们就能引起其它铀核的裂变，如此继续下去，就会发生自动而持续的链式反应.但问题的关键是，铀核裂变时是否能产生新的中子?在进一步的实验研究中，约里奥-居里夫妇、费米、西拉德、津恩等都证实在铀核分裂时能产生23个中子，同时释放出大量能量.这就在理论上肯定了链式反应是能够发生的.这样看来，只要有一个中子被铀核俘获，那么就会很容易地产生链式反应. 原子的人工嬗变、热中子核反应、重核裂变、链式反应的可行性等重大发现，虽然都是纯基础理论研究的成果，但它深深触及了人类开发原子核能这个十分现实的问题.然而，这项工作却首先转向了为战争服务，因为当时正值第二次世界大战期间.由于核裂变最先是在德国发现的，因此德国首先开始研制核武器.消息泄露后，爱因斯坦等科学家致信美国总统罗斯福“加紧研制原子弹”.1942年8月美国开始实施以研制原子弹为内容的“曼哈顿计划”.1942年12月，在费米、西拉德、奥本海默、弗兰克等众多科学家的共同协作下，在美国芝加哥大学建成了世界上第一座核反应堆，首次实现了人工控制的核链式反应.1945年7月16日，美国在新墨西哥州爆炸了世界上第一颗原子弹，从此开始了核武器研制和试验的国际竞争. 第一座反应堆的研制成功，其意义是重大而深远的，它不仅直接导致了第一颗子弹的爆炸，还在于建造了原子能反应堆.从此，人类找到了开发原子核能的一条基本途径，为人类的能量来源开辟了崭新的天地.在和平利用原子能方面，核电站的建成是其中的一个主要标志.1954年6月，原苏联建成了第一个小型原子能发电站，首先突破了核能源实际有效利用的新技术；1956年英国建成第一座天然铀石墨冷气发电、产钚两用堆；1957年12月美国也建成了实验性压水堆核电站.20世纪50年代，各国核发电站的发展基本上是实验性的，主要是探索它在技术上的可能性；60年代以后，核电站进入了实用阶段，上述几种主要堆型技术越来越成熟，优越性也日益显露出来，其中轻水堆是目前世界核电站中占首位的堆型，装机容量约点全部核电站总容量的80%；到了70年代，其单堆功率已从第一代的20万千瓦左右提高到130万千瓦，发电效率有很大提高，平均燃耗、发电成本大大降低；从70年代中期起，各国核电站的发电成本已普遍比火电站低，核电站的可利用率已同现代最新的火电站相当，而实际运行的负荷因子已高于火电站；截止到目前，欧洲一些国家核电在整个能源中所占的比例超过50%，法国高达78%.核能在世界能源中的地位和作用在不断地增长，核电站在今后仍将有更大的发展. 核技术的开发和利用是很复杂的综合性设施，它涉及到许多学科、工业部门和多项新技术.显然核物理学是最必要最重要的基础学科之一；而核反应堆、核电站、核武器的研究、设计、制造、调试、试验、运行以及更新换代的过程中，又推动了核物理的发展.核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用效率和经济效益，并为更大规模的核能利用准备了条件.二、从“光量子假说”到激光技术 1900年12月24日，在德国物理学会的年会上，普朗克宣读了他的“关于正常光谱的能量分布定律的理论”论文，提出了一个革命性的思想光量子假说.1916年，爱因斯坦在旧量子论的基础上提出了受激（感应）发射的概念，并在他的论文“关于辐射的量子理论”中首次给出了能态之间跃迁的新认识.他认为，在气体分子（普朗克谐振子）的能态跃迁中，存在两种不同的辐射过程：一种是由高能级到低能级的自发辐射，一种是由于频率响应从高能级到低能级的受激辐射.受激辐射概念的提出，实际上已为激光器的发明奠定了理论基础. 1921年，美国赫耳发明的磁控管能产生微波振荡，使人类开始了微波的研究；1924年物理学家托耳曼根据原子、分子系统内激发态上粒子数分布的情况，指出可以得到负吸收或放大，并在实验中观察到了这种机制引起的吸收系数的变化；1928年，拉登伯格和科普夫曼在气体放大的色散测量中，观测到由于受激辐射所引起的负色散现象；1934年，美国的斯勒特和维维里曼做了波长14cm的各种磁控管，将产生的微波射向充有氨气（NH3）的橡皮球，发现氨分子在1.3cm波长处有强烈的吸收，这是用相干振荡器发现电磁波和分子相互作用的最早实验，也是电磁波谱学的最早实验；1938年，捷尼克在计算各种干涉条件下的光束强度中提出“相干度”的概念.应该说，所有这些研究成果都有助于认识受激辐射概念的实际意义. 1939年，法布里坎特在讨论气体放电的发光机理时，提出用实验来证实负吸收的存在，他分析了由负吸收产生光放大的可能性，以及由此所引起的光强度和方向性增加的问题.他根据拉登伯格发现的吸收系数、爱因斯坦系数与粒子数分布的关系指出：要使辐射通过介质不但不衰减而且还要放大的话，必须实现粒子数反转.法布里坎特的这一见解，是从爱因斯坦受激辐射理论向构思激光器技术原理迈出的极为重要的一步，因为它指出了产生激光的最重要的条件. 1946年，美国和英国几乎发现氨分子谱线中的精细结构和超精细结构，并开始了微波波谱学的研究；1950年，卡斯特勒提出用“抽运”方法实现粒子数反转的设想；1951年，珀塞尔和庞德在美国哈佛大学研究核磁共振时，第一次在实验上用核磁共振实现负温度状态.同年，物理学家汤斯首次提到实现微波受激放大的可能性，他设想用分子而不是用自由电子来实现微波放大，如果使处在微波激发态的氨分子数大于处在低能态的氨分子数，则受激发射就会占优势，于是能观察到微波发射谱，并可能放大.1954年，汤斯等人成功地制成了氨分子激射器，共振频率为23.87GHz（波长1.25cm），功率为10-8W，这是实验室内最早观察到的微波分子发射谱，氨激射器是世界上第一台“辐射的受激发射微波放大”的装置，简称“脉塞”（Maser）. 1955年，前苏联物理学家巴索夫和普罗霍洛夫提出得到Maser的受激分子的另一种可能途径，他们指出具有三个或四个能级的原子、分子系统，用高频电磁波造成粒子数反转，在高能态和居间能态之间或居间能态与低能态之间的跃迁频率有可能得到放大.1956年，汤斯正式提出Maser能被无线电波甚至被光波泵浦.同年，美国科学家布罗贝尔金独立地发现了三个能级泵浦方法，并建议能级固态Maser用Ni-Zn氟硅酸盐和Ga-La乙基硫酸盐.19561958年，三能级固体量子放大器问世，使厘米波和分米波的高灵敏度接收成为可能，并很快用于射电天文、雷达和宇宙通信的灵敏的低噪声前置放大器.1958年12月，肖洛和汤斯在美国物理评论杂志上发表文章，讨论了谐振腔、工作物质和抽运方式等一系列问题，对他们所提出的在光波波段工作的量子放大器设计方案进行了详细的理论分析，预言了采用法布里-珀罗干涉仪作为开式谐振腔的选模作用，以及激光的相干性、方向性、线宽和噪声等性质.至此，把微波量子放大器扩展到光波波段的理论基础和技术已基本完备，激光器这个现代科技的宠儿，即将临产了. 1960年7月，休斯研究所的一个从事红宝石微波量子放大器研制工作的年轻人梅曼，大体上按照肖洛和汤斯的设计构思，用一种装有被氙放电管抽运红宝石棒非常简单的装置，成功地制造并运转了第一台激光器红宝石脉冲激光器（工作波长为0.6943m）.从此，小说家们所幻想的“死光”，在科学理论的指导和助产下，终于奇迹般地出现了. 此后，激光又得到进一步的发展和应用.19611965年，激光光谱用于大气污染分析，半导体激光器用于激光通信，CO2激光器用于激光熔炼，激光切割激光钻孔.19681969年，月球上设置激光反射器，地面与卫星联系.1982年，发明激光全息术.19801990年，激光外科手术、通信、光盘、激光武器等出现. 激光技术是现代物理学和现代科学技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出物理科学理论对技术发明的预见性，而且它本身又作为现代科学技术家族中的一个优等生，也大大促进和推动着现代物理学和现代科学技术的发展.三、从“量子力学的建立”到电子和信息技术 20世纪20年代无疑是理论物理学的黄金时代，在短短的几年之内，物理学家为了解决旧量子论的困难，在不同的地点，从不同的角度、以不同的形式，建立起一种描述微观世界的统一的基本理论量子力学.它用严格的数学语言调和了波和粒子这两种对立的经典概念在描写同一微观客体时表现的矛盾.量子力学的建立为人类了解物质结构奠定了基础. 1926年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，开始研究全同粒子系统.他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色-爱因斯坦统计；如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从另一种统计，即费米、狄拉克统计.虽然费米在几个月前就提出了这种统计法，但狄拉克却更深刻地揭示了统计类型与波函数对称性质间的关系，并证明了在波函数反对称条件下，新的统计是量子力学的必然结果.这一统计法的提出，使人类得知固体中的电子服从泡利原理. 1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想能带论.根据能带论，在外电场作用下，半导体导电是靠满带中的“空穴”和导带中的电子这两种载流子进行的.“空穴”参与的导电过程称为型导电，电子参与的导电过程称为型导电.半导体的许多奇异特性正是由“空穴”和电子所共同决定的，能带论第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体. 1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型他认为，由于半导体自身存在的晶体缺陷和杂质原子，使得半导体具有两种导电类型：一种是“杂质导电”，即由于半导体中的杂质电离能远比禁带宽度小，所以在较低温度下可以把电子从施主能级上激发到导带，或把满带上的电子激发到受主能级上，从而电导率升高；另一种是“本征导电”，即把满带中的电子直接激发到导带上，而使电导率升高.显然，按照这两种导电机理，半导体所有变化多端的性能和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的.因为杂质导电随样品而异，而本征导电则是固定不变的.威尔逊模型相当完好地说明了与体内性质有关的半导体的行为特征，它奠定了半导体学科的理论基础. 1939年肖特基、莫特和达维多夫，在弗兰克尔金属半导体接触的表面理论基础上，应用金属与半导体接触的“势垒”概念，建立了解释金属半导体接触整流作用的“扩散理论”.这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景.大致同时，随着无线电技术发展，在1930年后，短波和超短波通信发展起来，并出现了雷达技术.随着第二次世界大战的到来，对于这两方面的研究愈显得重要，真空管已经不能响应这两种技术中如此迅速变化的电信号，人们又重新回头研究半导体检波器和整流器.由于检波器的性能与半导体材料的纯度关系很大，人们为获得好的材料，对族元素Ge、Si的提纯、多晶制备，以及电学性质作了大量的研究工作.1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究Si材料，1940年，用真空熔炼方法拉制出多晶Si棒并且掌握了掺入、族杂质元素来制造型和型多晶Si的技术.还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个Si的结，发现了Si中杂质元素的分凝现象，以及施主和受主杂质的补偿作用.1942年，普尔都大学物理系对开展全面研究，同年夏天制出了第一个的结，第二年形成反向击穿电压为100的二极管，并研究了Ge整流器的设计与应用方面的问题.到战争结束的时候，半导体科学已经奠定了较为坚实的实验和理论基础.由于真空管在应用中暴露了坚固性、可靠性不够好，响应速度有限等缺点，科学家从20世纪30年代就开始寻找一种固体放大器来代替它.1945年，二次世界大战刚结束，贝尔实验室成立了一个固体物理研究组，主要成员有：物理学家肖克利、布拉顿、巴丁，还有一些电子线路专家、物理化学家、冶金学家的参与，在大家的共同努力下，于1947年12月23日成功发明了晶体管.晶体管是在半导体理论和实验基础上发明的.由于它展示了光辉的应用前景，从而激起人们为改善晶体管，努力研究半导体物理和技术的极大热情.20世纪50年代，一批原理、工艺新颖，性能优良的半导体二极管、晶体管，登上了应用舞台.它们中有结型场效应晶体管（1951），齐纳二极管（1952），可控硅（1957），肖特基势垒二极管（1960）等，使得晶体管已经在多方面能够代替真空管.同时，属于化合物半导体系列的InSb，AlSb和GaAs，也相继研制出来.20世纪50年代末期，由于科学家在研究半导体表面理论和技术的基础上，实现了在半导体表面形成晶体管工艺，从而在1958年4月12日研制成功了第一块集成电路，这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），是一种小规模集成电路.集成电路的发明，是以电子元件为主的电子技术的第三次重大突破.这一突破，使电子技术沿着集成电路所开创的电子元件微型化的新道路大踏步前进.随着集成电路集成度的不断提高，到1964年研制成功了中规模集成电路；1968年又研制成功了大规模集成电路；1973年大规模集成电路开始进入工业化生产阶段，这个阶段已经出现了集成20多万个元器件的芯片.大规模集成电路与小规模集成电路相比较，元件的功能发生了质的变化.后者需要大量的元件，甚至是整个设备才能完成的功能，而前者由一个元件就代替了.有源元件、无源元件及线路三者之间的内部矛盾关系也发生了根本改变，矛盾的主要方面从开关逻辑元件转化为传输线路连结系统，逻辑元件主要矛盾也从逻辑的简单性转化为逻辑的规则性和品种的单一性，这就为成批生产大规模集成电路创造了条件.因此，大规模集成电路的出现，是以电子元件为主的电子技术的第四次重大突破.20世纪80年代则是超大规模集成电路时代，集成度实际上已经突破了百万大关，从80年代后期开始集成电路技术步入了1和亚微米时代（1=10-6，80年代初芯片的电连接宽度为46），真正实现了微型化.当时间进入21世纪，集成度则以每年100倍的平均速度增长，集成电路的集成度达到几十亿.集成电路从20世纪50年代末出现至今，其发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的.以集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用.此外，量子力学的建立，不仅使人类可以把握宏观物体的各种性能，而且可以深入认识物体的微观结构，从电子、原子、分子、晶格等不同层次来研究材料，发现许多微观结构和宏观性能之间的规律性关系，从更深的层次上揭示出材料性能和结构的本质联系.今天的材料科学技术，已经发展成为一个内容广泛、高度综合的技术系统.描述材料的宏观、微观迁移等现象，要涉及结晶学、凝聚态物理学、固体物理学、分子物理学、核物理学等.研究物质的合成，又需要涉及热力学、物理化学、量子化学等学科.在对材料物性的测定上，要求助于力学、光学、热学、电磁学和声学等方面的技术和设备.从上述的事例，我们不难看到，在许多新技术发现的源头和过程中，物理科学研究成果起了极大的作用.其实，在空间技术、生物工程技术等其它新技术的发展过程中，物理科学研究成果也同样起到了很大的作用.可以说没有物理科学的创新成果，就不可能有这些新技术的发现或迅速的发展.其实，在21世纪的今天，我们仍然可以看到，在物理科学研究的新成果带动下，许多领域的应用科学技术得到了进一步的发展，并出现了一个又一个崭新的产业部门，其影响遍及生产、科研、国防、医学、乃至进入家庭，大大改变了当代社会的结构和面貌，甚至人们的思维方式.历史和经验告诉我们，无论是过去，还是现在、乃至将来，社会和经济的发展总是离不开科学技术的进步，科学技术的进步离不开物理科学的创新成果，而物理科学的创新成果，靠的是具有高素质的物理科学人才.2射线的发现 关于电的知识，在公元前3世纪，人们便已开始掌握。后来又过富兰克林、伽伐尼、伏特、安培、欧姆、法拉第等许多科学家的研究，更加完善系统。到1643年意大利的托里拆利发现了气压和真空，人们便又把真空和电联系在一起研究。将放电管抽空，再充入各种不同的气体，就会显示各种美丽的颜色。科学家还发现，这时放电管的阴极会发现射线，这种“阴极射线”能使几种荧光盐发光，还能使照相底片变黑。这种实验是极有趣的，许多著名的科学家如英国的克鲁克斯、德国的赫兹、列纳德等都在一次又一次地重复观察这种暗室里的神秘闪光。可是发现的幸运往往只能落在一个人头上，这个人就是德国维尔茨堡大学的教授伦琴(18451923)。1895年11月8日，星期五，这天下午，伦琴像平时一样，正在实验室里专心做实验。他先将一支克鲁克斯放电管用黑纸严严实实地裹起来，把房间弄黑，接通感应圈，使高压放电通过放电客，黑纸并没有漏光，一切正常。他截断电流，准备做每天做的实验，可是一转眼，眼前似乎闪过一丝绿色荧光，再一眨眼，却又是一团漆黑了。刚才放电管是用黑纸包着的，荧光屏也没有竖起，怎么会现荧光呢?他想一定是自己整天在暗室里观察这种神秘的荧火，形成习惯，产生了错觉，于是又重复做放电实验。但神秘的荧光又出现了，随着感应圈的起伏放电，忽如夜空深处飘来一小团淡绿色的云朵，在躲躲闪闪的运动。伦琴大为震惊，他一把抓过桌上的火柴，“嚓”的一声划亮。原来离工作台近一米远的地方立着一个亚铂氰化钡小屏，荧光是从这里发出的。但是阴极射线绝不能穿过数厘米以上的空气，怎么能使这面在将近一米外的荧光屏闪光呢?莫非是一种未发现的新射线吗?这样一想，他浑身一阵激动，今年自己整整50岁了，在这间黑屋子里无冬无夏、无明无夜地工作，苦苦探寻自然的奥秘，可是总窥不见一丝亮光，难道这一点荧光正是命运之神降临的标志吗?他兴奋地托起荧光屏，一前一后地挪动位置，可是那一丝绿光总不会逝去。看来这种新射线的穿透能力极强，与距离没有多大关系。那么除了空气外它能不能穿透其他物质呢?伦琴抽出一张扑克牌，挡住射线，荧光屏上照样出现亮光。他又换了一本书，荧光屏虽不像刚才那样亮，但照样发光。他又换了一张薄铝片，效果和一本厚书一样。他再换一张薄铅片，却没有了亮光，铅竟能截断射线。伦琴兴奋极了，这样不停地更换着遮挡物，他几乎试完了手边能摸到的所有东西，这时工友进来催他吃饭，他随口答应着，却并未动身，手中的实验虽然停了，可是他还在痴痴呆呆地望着那个荧光屏。现在可以肯定这是一种新射线了，可是它到底有什么用呢?我们暂时又该叫它什么名字呢?真是个未知数，好吧，暂就先叫它“X射线”。一连几个星期，伦琴突然失踪，课堂上、校园里都打不见他。他一起床就钻进实验室，每次吃饭都是夫人贝尔塔派工友去催了又催，才能将他请到饭桌上来。他的好朋友几天不见他，便来关心地问道：“伦琴先生，你最近在忙什么呢?”他总是讳莫如深地说：“在干一件事，还有没结果。”原来伦琴搞实验有两个习惯，一是喜欢单枪匹马地干，经常连助手不要；二是没有到最后得出结论，决不轻易透露一点消息。他最讨厌无根据的假设，也从不作什么预言。再说伦琴这样终日将自己关在实验室里，别人可以不管，夫人贝尔塔可不能不问。她见伦琴每次吃饭都心不在焉，甚至有一次叉了一块面包竟向鼻尖上送去。问他在想什么，他只是神秘地一笑。贝尔塔一是担心他的身体，二是出于好奇。这天估计伦琴已开始工作，她便偷偷地溜进实验室里。只见一片黑暗中一个荧光屏发出一片亮光，伦琴举起一本厚书，屏上就有一个模糊的书影，举起一枚硬币，就有一个圆圆的印记，贝尔塔看得入迷，便失声说道：“没有光，哪来的影子呢。”正好这时伦琴高兴，他并没有责备贝尔塔私闯实验室，只是摸黑拉住贝尔塔的手说：“亲爱的，来得正好，请帮个忙。你双手捧着这个小荧光屏向后慢慢退去，我来观察，看随着距离的远近荧光的亮度有什么变化。”贝尔塔能进实验室本就机会不多，难得丈夫高兴，今天还破例邀她协助实验，而且这又是一个多么有趣的游戏。她小心翼翼地捧起荧光屏，伦琴说“退”，她就向后退一步；说“停”，她就停下来等待他观察。这样越退越远，贝尔已完全被黑暗所吞没，伦琴眼里只留下一方荧光的闪亮。却说伦琴正看得入神，忽听暗处贝尔塔“呀”地一声尖叫，接着便是“哐当”一声，荧光屏跌落在地。伦琴忙喊：“贝尔塔!”却无声。他忙将电灯打开，只见贝尔塔，双手前伸，两目痴睁睁的，却不说话。伦琴一时也六神无主，不知出了什么祸事，三步两步冲上前去搂住她的肩膀喊道：“贝尔塔，你怎么啦，刚才出了什么事?”“妖魔，妖魔，你这实验室里出了妖魔。”贝尔塔说，肩膀还在瑟瑟发抖。“贝尔塔，你冷静点儿，我在你身旁，不要怕，你刚才到底看见了什么?”“手，刚才我看见了我的手。”“你这手不是好好的吗?”“不，它又变回来了，刚才太可怕了，我这两只手只剩下几根骨头。”伦琴一听，突然一拍额头，说道：“亲爱的，我们是发现了一种妖魔，这家伙能穿过人的血肉，也许这正是它的用途呢。你不要慌，我扶你坐下，我们再来看一遍，但愿这妖魔能够再现。”伦琴熄灭灯，又重新立起一块荧光屏，这次他将自己的手伸在屏上，果然显出五根手指骨的影子。然后他又取出一个装有照相底板的暗盒，请贝尔塔将一只手平放在上面，再用放电管对准，这样照射了15分钟。底片在显影液里捞出来了，手部的骨骼清晰可见，连无名指上那颗结婚戒指都清清楚楚，这是因为戒指完全挡住了射线。贝尔塔一见这张照片不由全身一阵战栗，她连忙用双手捂住自己的眼睛，泪水顺着指缝渗了出来，她想到了死亡，想到了自己的骷髅，抽抽泣泣地说：“亲爱的，这是多么可怕的事!我这双红润润的手掌一下就变成白森森的骨头，教我们亲眼来看自己死后的情景，这实在太残酷了，太可怕了!”伦琴现在却非常高兴，他像一个下围棋的胜者落下了最后一子，轻松、兴奋、自豪。他将房间里的灯打开，一边收后着仪器，一边说道：“亲爱的，不必伤心，你看眼前不是又大放光明了吗?你的手掌不是还这样红润柔软吗?我们还幸福地生活在世界上，虽说我们已年近半百，可是死亡还很遥远，人能透过表面看到内在，立于现在预知未来，这正是科学追求的目标啊。科学就是要实在，就是要彻底。维萨留斯第一次画出人体解剖图，哈维第一次揭示出人体的血液循环路线。人，在科学面前，一点儿一点儿地露出了他的实实在在的血肉，现在这种新射线又要清清楚楚地显示人们一根根骨头了。科学帮助我们认识世界，也认识自己。亲爱了，我们应该高兴啊，这不是悲剧，这是人类的福音，可以预料，医学将因此会有一场革命，会大大地前进一步。”在1895年的最后几天，伦琴将这项研究成果整理成一篇论文一种新的射线，初步报告，送给了维尔茨堡物理学医学学会。同时又把报告的副本和几张X射线照片邮寄给他的几位物理学家朋友。可是他远没有想到，当他把信件投入校园里那个大邮筒后，等待他的是一场多大的麻烦。本来，伦琴是一个十分小心谨慎的人，治学态度极严，遇有新成果不经自己再三验证和专家评定决不发表。可是他投送的那些邮件有一份是给维也纳的物理学家艾克斯奈尔的。这艾克斯奈尔与伦琴相交笃深，他一眼就看出这是一项伟大的发现，其欢悦之情不能自禁。一天他正举行家庭宴会，便将伦琴夫人那只左手的X射线照片拿出来向朋友们夸耀，这自然使满赞叹，家宴生辉。而席间又有一位好事者叫雷谢尔，立即提出要将照片借回去好让家人也一饱眼福。碍着面子艾克斯奈尔便借给了他。不想雷谢尔的父亲是维也纳新闻报的出版人，这老雷谢尔真不愧为新闻老手，一眼就看出这是一条将震动世界的消息，接到照片的第二天1896年1月5日，就在头版以耸人听闻的发现为题，在全世界第一次发表了这条独家新闻。这个德国科学家的伟大成果竟首先在奥地利发表，然后伦敦每日记事驻维也纳记者又立即将新闻报的消息发回总社，1896年1月6日伦敦便向全世界发出这样一条新闻：战争警报的喧嚷不应当把人们的注意力分散而没有看到维也纳传来的令人惊异的科学胜利。据宣布，维尔茨堡大学教授伦琴发现了一种射线，用有摄影方面，它可以穿透木头、肌肉、布以及大部分有机物质。这位教授拍成一张装在密闭木匣中的砝码的照片，还拍了一张只有骨骼，不见肌肉的人手的照手。真是没有想到，这位教授虽然十二分的小心，他慎重从事，严加保密，X射线的消息却从外国报纸上钻出来，并立即漫及全球。他只好公开出面做一次报告了。1896年1月23日，伦琴在自己的研究所里举行关于新射线的报告会。会议还没有开始，小礼堂已经座无虚席，窗台上、走廊里，凡能下脚的地方都剂满了听众。这是些什么样的听众呀，有贵族、大学教授、高级官员、军官还有学生和一些设法挤进来的市民。一个高等院校的研究所，一个高深的物理课题，还从来没有这样众多的听众来光顾呢。伦琴还没有出场，人们就急得如等待皇帝的召见，又像盼着一个大明星的出现，个个都引颈踮脚，直视台口，一面窃窃议论着这个能穿透人的血肉的可怕怪物。这种紧张的准备气氛大约持续了半个小时，伦琴才出现在台前。他高高的个了，留着一把漂亮的卷曲的大胡子，还是穿着平常的实验服，目光平静和蔼，仿佛不是来宣布一项震惊世界的发现，倒像是踏着铃声走进课堂，礼堂里立即响起如潮的掌声。年轻人把子抛向空中，人们高喊着“伦琴”，“X射线”，屋子里立即如一锅开水沸沸扬扬。伦琴示意大家静下来，向大家表示真诚的谢意。但是他每致谢一次，这欢呼就掀起一个新的浪潮，这样一连三次，人们激动的情绪才稍稍平息。这时伦琴才开始演讲：“尊敬的先生们，谢谢大家今天的光临。关于新射线的实验，现在还只有一个初级阶段，但是社会各界对此事都抱极大的兴趣，而且外面又有各种各样的传闻，所以我今天有责任向大家说明一下我的工作情况。关于放电研究，赫兹、雷纳特、克鲁克斯等科学家都做了许多有益的工作。1879年克鲁克斯先生在做真空放电实验时就发现放电管附近的照相底片变黑，1880年美国两名同行也遇到这种情况，1892年我国的物理学家也注意到了放电管附近的荧光，但是大家的注意力都在阴极射线上面，觉得这些怪异是偶然的失误所致。我自己不过是重复了前人的工作，我的成功只不是比他们稍微细心一点罢了。我抓住了X这个未知数去努力求解，当然，现在我们对它也还知道甚少，不过已经确切地知道它能穿过大部分物体，可以用来照特殊的相片，至少这一点对外科医生会帮大忙。它可以使我们在未开刀前就能观察到人体的内部结构，特别是骨骼结构。为了能使各位更明了这种射线的性质，现在请允许我为今天到会的，著名的解剖学家克利克尔先生当场拍一张他的右手X光照片。”按照预先的布置，小礼堂立即一片漆黑。20分钟之后，拍好的底片已展示在众人面前。年近80高龄，德高望重的克利克尔举起这张片子激动地说：“我一生不知解剖了多少只手。今天伦琴先生的射线却在我的手不痛不痒的，未受一点损伤的情况下，这样清楚地解剖出我的手骨，而且还用照片固定下来，这真是伟大的创造。在我作为维尔茨堡物理学医学学会会员的48年中，这是我参加的最有纪念意义的一次学术活动。为了庆祝这个造福人类的伟大发现，我提议将这个未知的射线定名为伦琴射线。”这时会场上又是一阵雷鸣般的欢呼。接着是一群记者蜂拥而上。他们提出各种各样的问题。“伦琴先生，11月8日晚，当您观察到荧光闪光时想到了什么?”“我是在研究，不是在想。”“伦琴先生，请问您打算怎样出卖你的这项伟大的技术专利?”“根据德国大学教授的优良传统，我认为他们的发明和发现都属于整个人类，这些发明和发现绝不应受专利、特许权，合同等等的阻碍，也不应受到任何集团的控制。我的实验室向着专利局的那一面窗户，永远是紧闭着的。”“伦琴先生，关于神秘射线的研究您将还有什么重大突破?”“我不是预言家，也不喜欢预言。我只知道我将继续我的研究，而且对暂时还没有把握的结果我现在绝不发表。我讨厌那种投机性的和广告式的狂热，也憎恨一切仓促的出版物，我想永远只应提供成熟的东西。”“那么请问您准备在什么时候发表您的第二篇研究报告呢?”“对不起，我有一个不好的毛病，总不愿单独解决某一个问题，所以一碰到问题就想做得更彻底些，就会前后左右引申得过远，所以我的论文也经常要修改和重编，很难说出准确的发表时间。”这时记者越来越多，已是里三层外三层，有的问他发现的细节，有的问他的家庭，有的向他索要照片，有的邀他为刊物作广告，问题越提越怪，要求越来越多，伦琴早已被围得大汗淋漓，连挤进来保驾的会议主持人也一起被困在核心，许多青年学生又拥了来要求签名的。这时英国摄影杂志的一名记者挤上来说：“尊敬的伦琴先生，我们杂志很荣幸地注意到您是一名摄影爱好者，平时您只要一出门，照相机总是挂在肩上。可是近来我们发现您却总把它忘在家里，关于这件事您能向我们的读者解释一下吗?”伦琴擦一把汗，抬头环视一下人头顶上许多高高举着的照相机，用手一指说：“是，我过去出门总爱背一个照相机，可是近来我一看见这个东西就害怕!”他这句半是抱怨，半是玩笑的机智的回答引起人们一阵欢乐的笑声，记者也突然觉得将他逼得太苦了，忙收起相机，主持人乘机拉着伦琴挤出圈外，奔向客厅，那里还有一个小型酒会在等他呢。深夜，伦琴回到家时，贝尔塔还在灯下整理近来收到的邮件。他脱下大衣，捧起咖啡喝了一口，好像这时才感到自我的存在。下午报告会上的喧闹，酒会上人们争相握手、祝贺，使他应接不暇，疲惫不堪。贝尔塔扶他坐下，一件件地抽出邮件，大都是各地有关X射线的报道，有1月8日出版的纽约电气工程师、1月10日出版的伦敦电工杂志、1月14日出版的慕尼黑医学周报1月16日出版的维也纳临床周报。这些报纸、杂志有对X射线的严肃报道，也有不少诙谐的评述，还有许多可笑的猜测有消息，有故事，还有漫画。贝尔塔捡起一份1896年3月12日出版的生活杂志说：“亲爱的，听我给你读一段。你看，你的射线都成了诗人创作的题材了：你是这样美丽，这样苗条，但你丰满的肌肉哪里去了。原来你已被无名射线精心改造，却只用骨骼来向我拥抱。你用二十四根肋骨来显示自己的线条，你可爱的鼻子、眼睛哪里去了。我低声向你耳语：“亲爱的，我爱你。”你用洁白的牙齿向我微笑。啊，可爱、残忍、温柔的射线，伦琴教授这个伟大的创造!伦琴听完这首小待笑得差点将口里的咖啡喷出来，他说：“报纸上还有什么热闹呢?”贝尔塔说：“热闹事多着呢，你看这是伦敦一家公司的广告，说他们出售防X射线的外衣，小姐太太们要是不赶快购买，就再也不能遮羞。还有，美国新泽西州有一个州议员提出一个提案，要求州议会立法禁止在戏院里使用X射线望远镜看戏。还有，一家电气公司表示要向您购买有关X射线发明的专利”伦琴听着这些新闻，先是觉着好笑，接着越听越生气，他摆摆手说：“亲爱的，别念了，还是不要让他们来亵渎神圣的科学吧。多么纯洁的东西一到商人手里就立即裹上一层铜臭气。我真不知道，当年是否也有人上门去向牛顿购买万有引力。噢，我的那些朋友们，慕尼黑的、维也纳的、布拉格的，我给他们寄去了资料、照片，有回信没有?”贝尔塔这才想起一件大事，忙从身后书架上取来一捆信札说：“朋友们正抱怨你办事不细心呢，你寄的照片大都没有收到，你签名的明信片全都没收到。你还不知道呢，现在射线照片是无价之宝，你的签字是最时髦的纪念品，还有，我们家门口这几天已经车水马龙了，你今晚要是早回一会儿准被记者堵住，不回答一百个问题，今晚别想睡觉。我们家已彻底没有安宁了。”伦琴将杯子放在桌子上，颓然躺进圈椅里，他沉思了一会儿说：“贝尔塔，看来这个发现倒给我们带来了灾难。你知道我是最怕见人的，现在只有一条路逃跑，出国去旅行一趟。走前只给老朋友岑德回一封信，其他信件一律不回。好，我来口述，你来代笔吧：“我没有向任何人谈过我的工作，我只向我的妻子提过我正进行一件事，这件事人们要是知道了会说“伦琴似乎发疯了。1月1日，我把加印的照片寄出去，于是出了岔子!维也纳新闻报首先敲起宣传的锣鼓，然后别的报纸也跟着叫嚷起来。有好几天我都对这件事感到厌恶；在这些报道里再也认不出我的工作了。对于我来说，摄影术是达到目的的手段，可是他们却把它看成最重要的东西。我也渐渐习惯于这种喧嚷了，但是这种风暴糟蹋了许多时间，差不多有四个星期的工夫我没有做一次实验。别人能工作，惟独我不能工作。你想不到这里把工作搅乱到什么程度。现在附上你所要的照片；如果你想在讲演中使用，我没意见。但是我建议你把它们放在镜框里面，否则是会被偷走的。”却说伦琴连夜收拾东西，第二天，天刚蒙蒙亮便带贝尔塔出门去旅行了。谁知他刚登上马车，就听车后一阵议论：那个穿棕色礼服的就是伦琴!”原来一群抢新闻的记者和抢着来签专利协定的公司、厂方代表早就守候在他的门口。伦琴忙将礼服脱下塞进衣箱，一边喝令车夫：“快走!”“啪”的一声鞭响，马车冲出门外。伦琴发现的射线成为19世纪90年代的物理学上的三大发现之一，为此他于1901年获全世界首次颁发的诺贝尔物理学奖。3爱斯基摩人的冰屋 冰是冷的象征，一提到它，人们就会不寒而栗。但是，在冰雪凛冽的冬天，生活在北极圈里的爱斯基摩人，却凭着用冰垒成的房屋，熬过严寒的冬天。 在北极圈内，有取之不尽的冰，又有用之不竭的水。每当冬天到来之前，爱斯基摩人都要建造冰屋。他们就地取材，先把冰加工成一块块规则的长方体，这就是“砖”；用水作为“泥”。材料准备好以后，他们在选择好的地方，泼上一些水，垒上一些冰块，再泼一些水，再垒一些冰块；前边不断地垒着，后边不断地冻结着，垒完的房屋就成为一个冻结成整体的冰屋。这种房屋很结实，被誉为爱斯基摩人的令人羡慕的艺术杰作。 爱斯基摩人的冰屋是怎样起到保暖防寒作用的呢？ 首先，由于冰屋结实不透风，能够把寒风拒之屋外，所以住在冰屋里的人，可以免受寒风的袭击。 其次，冰是热的不良导体，能很好地隔热，屋里的热量几乎不能通过冰墙传导到屋外。 再次，冻结成一体的冰屋，没有窗子，门口挂着兽皮门帘，这样可以大大减少屋内外空气的对流。 正因为如此，冰屋内的温度可以保持在零下几度到十几度，这相对于零下多度的屋外，要暖和多了。爱斯基摩人穿上皮衣，在这样的冰屋里完全可以安全过冬了。当然，冰屋里的温度比起我们冬天的室内温度要低得多，而且冰屋里也不允许生火取暖，因为冰在以上就会融解成水。4地球的形状如何？如果环顾一下四周，我们就会发现，地球表面并非是平坦的，其形态很难用简单的语言描绘出来，即使我们将房屋及其他人造的景观排除在外，地球表面仍是凹凸不平的，它的表面布满了高高低低的岩石。地球给人类的第一印象是：地球上布满了高山峡谷、陡壁悬崖以及深浅不一的沟壑。在科罗拉多、秘鲁、尼泊尔等地，一座座高达数英里的大山耸入云端。由此可见，地球表面的不平坦性是显而易见的。但也有一些地区，如堪萨斯州、乌拉圭、乌克兰等地则是一望无际的大平原，你看不到高山和峡谷。由此可见，地球表面是极不规则的。如果你是在群山峻岭之中，会看到忽而隆起忽而陷下、起伏不定的奇山怪石，有些山谷和沟壑直上直下的如刀劈斧砍一样。你漫步在地球上，处处都是坎坷不平的，我们也只能说，从平均统计的角度来看，地球是平坦的。假如你乘坐一叶扁舟漫游在一望无际的水面上，你能看到的是水的汪洋，四周根本见不到陆地。其实水面并非是平如明镜的，处处都涌动着浪花。无风的时候，浪花很小，几乎看不到起伏。从广义的角度来讲，水面是平静的，甚至比地球表面平坦得多。几千年以来，人们一直认为地球表面是“平坦的”，既然这种错觉没有给人类带来什么麻烦，又有谁愿意大伤脑筋对它进行深入的探讨呢？不知各位是否站在山顶鸟瞰过身下的景观，凡是看过的，必然发现山谷的地势比山峰平坦得多，掠过房屋、树林、河流等物你能看到很远很远的地方。只是距离越远，看到的景物越发地模糊不清。当我们在空气并非纯净，大地被渺茫雾气笼罩着的时候极目眺望，大地和天空就像是连成了一片。人们的视线中，天地的连接处称为地平线，该词源于希腊语，意为“边界”。在地表平坦的地方看地平线，它是条直线，人称“水平线”。假如从某一个方向眺望附近的一座山，我们是无法看到它的另一面的，原因在于我们的视线不能拐弯。因此，如果我们仰视山顶，只能看到一片蔚蓝的天空，而看不到背面山势下滑的一面。这时，你只能看到近处的一条将山体和天空分开的界线。如果你是站在一片平原上，你就会看到遥远的天边一条朦胧的地平线。若想看到近一点的地平线，就要站到山顶上去。让我们想象一下，我们正站在一艘航行于海上的轮船的甲板上。此时，阳光明媚，万里晴空，海面上风平浪静。因为海上比陆地上的空气纯净得多，所以眺望远方，将发现一条海天仿佛融合的直线地平线，同时也许看到一座座山峰。其实，海上是没有山的。这是怎么回事呢？正确的答案只有一个，即海面并非是平面，而是一个曲面。从你在甲板上所处的位置看去，可以看得非常远，直至视线碰到曲面的顶端。如果你再往高处站一站，视野将延伸得更广阔，直至曲面的顶端再次挡住视线。反之，若我们站在低层甲板上，那么，目力所及的范围将会变近。进而，我们站在某一点处向前后左右的四周望去，将在同样的距离上看到形状完全相同的地平线。由此可见，海面不但是曲面状的，而且沿各方向的弯曲程度是一致的，至少在我们视力所及的范围内是如此。但海面为什么是弯曲的呢？原因在于，海面的形状应与海水下的地表形状吻合。因此，地球自身必然是曲面状的，而且在各个方向上的弯曲程度是一致的，只不过陆地上的起伏更严重而已，并且陆地上的空气更加浑浊。既然已知